Warum und wie können Flugzeuge fliegen?

Eigentlich ist es schon erstaunlich: Ein Flugzeug wie der Airbus A380 wiegt mehrere hundert Tonnen und kann trotzdem abheben und fliegen. Wie geht das? Warum können Flugzeuge überhaupt fliegen?

4 Kräfte

Auf ein Flugzeug wirken, vereinfacht ausgedrückt, vier physikalische Kräfte ein: Das Gewicht zieht es nach unten, der Auftrieb wirkt nach oben und ermöglicht somit das Fliegen in der Luft. Der Antrieb (auch Vortrieb genannt) drückt das Flugzeug vorwärts, der Luftwiderstand bremst es. Im normalen Flug heben sich diese vier Kräfte gegenseitig auf und das Flugzeug bewegt sich so, als ob überhaupt keine Kraft wirken würde: Es wird weder beschleunigt, noch gebremst, noch ändert es seine Flugrichtung (1. Prinzip von Isaac Newton: Trägheitsgesetz). Es fliegt also mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus. Das ist meistens bei unveränderter Flughöhe der Fall. Fig.1 zeigt die auf das Flugzeug wirkende Kräfte bei horizontaler Flugbahn und konstanter Geschwindigkeit. Geradeaus kann aber auch geneigt nach oben oder nach unten erfolgen. Zum Beispiel beim Starten oder Landen.

Fig. 1: Auf horizontaler Flugbahn mit konstanter Geschwindigkeit

Beim Starten muss das Flugzeug allerdings zuerst einmal beschleunigen. Dazu muss der Antrieb grösser als der Luftwiderstand sein. Damit es vom Boden abhebt, muss nun auch (kurzzeitig) der Auftrieb größer als das Gewicht sein. Nun gewinnt das Flugzeug an Höhe und seine Geschwindigkeit nimmt zu, auf geneigter geradliniger Bahn. Fig. 2 zeigt die Kräfte auf das Flugzeug kurz nach dem Start. Bei der nach oben geneigten Flugbahn wirkt das Gewicht zum Teil als Bremskraft, genauso wie wenn du mit dem Fahrrad den Berg hochfährst. Der Antrieb ist nun besonders stark.

Fig. 2: Kurz nach dem Start

Beim Landen bremst das Flugzeug ab. Fig. 3 zeigt dass bei nach unten geneigter Flugbahn das Gewicht nun zum Teil als Antrieb wirkt, genauso wie mit dem Fahrrad beim Berg Herunterfahren. Der Luftwiderstand muss also den gesamten Antrieb übersteigen.

Fig. 3: Beim Landeflug

Wie kommt der Auftrieb zustande?

Betrachte die Flügel und ihre Stellung gegenüber dem Flugzeugrumpf genauer. Dann erkennst du, dass die Flügel, wie auf Fig.4, etwas schräg gestellt sind. Beim horizontalen Flug stehen die Flügel also nicht horizontal sondern in einem gewissen Anstellwinkel gegenüber der Flugbahn. Die am Flügel entlang strömende Luft wird vom Flügel nach unten umgelenkt, also nach unten gedrückt. Also drückt die nach unten gelenkte Luft den Flügel nach oben (3. Prinzip von Isaac Newton, Prinzip von Kraft und Gegenkraft).

Fig. 4: Anstellwinkel beim horizontalen Flug

Wie kommt der Antrieb zustande?

Beim Propellerflugzeug drücken die Propeller Luft nach hinten weg. Diese Luft drückt die Propeller nach vorne. Wiederum findet das 3. Newtonsche Prinzip Anwendung.
Bei Flugzeugen mit Düsentriebwerken drücken die Triebwerke heiße Gase mit großer Geschwindigkeit nach hinten weg und erfahren von diesen Gasen eine nach vorne gerichtete Antriebskraft.

Was beeinflusst den Luftwiderstand?

Der Luftwiderstand hängt ganz stark von der Form des Flugzeugs und seiner Geschwindigkeit ab. Um ihn möglichst zu verringern haben Flugzeuge eine windschlüpfige Form (ähnlich wie die Stromlinienform der Fische). Die Schrägstellung der Flügel allerdings erhöht den Luftwiderstand. Dass der Luftwiderstand auch stark von der Geschwindigkeit abhängt, weißt du vom Radfahren. Je schneller du fährst, umso kräftiger musst du in die Pedalen drücken, um den starken Luftwiderstand zu überwinden.

Inwiefern hängen Gewicht und Treibstoffverbrauch zusammen?

Je größer das Gewicht, umso größer der notwendige Auftrieb. Dazu sind größere schrägstehende Flügel notwendig. Diese erzeugen einen größeren Luftwiderstand und schließlich ist eine größere Antriebskraft erforderlich, das heißt stärkere Triebwerke mit mehr Treibstoffverbrauch.

Autor: André Mousset (MNHN)

Dieser Artikel erschien im Science News 04/2013.

Photo: © Luxair